袁琪，陳蓉，寇召飛

　　（西安科技大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710054）

　　摘要：為了避免RoF在光域調制容易引入相位噪聲和大量色散等缺點，提出了一種在電域進行副載波調制的方法，具體是使用FPGA進行AM副載波調制，生成基帶副載波信號，然后使用激光調制器將副載波信號調制為光信號，并將信號經過光纖傳輸。在經過光纖系統傳輸后的示波器上能夠觀察到清晰的副載波波形，且光功率計讀數符合預期，表明經過光纖傳輸后效果良好，實驗結果表明在電域能進行副載波調制，從而驗證了基于FPGA的光載無線通信的副載波信號的傳輸可行性，為電域副載波調制提供了解決方法。

　　關鍵詞：光載無線通信；副載波調制；正弦波；現場可編程門陣列

　　0 引言

　　光載無線通信（Radio over Fiber，RoF）技術是將無線通信與光纖通信結合的一種技術，滿足了無線通信向高速大容量方向發展的需求。RoF技術的基本原理就是在中心站將微波調制到激光上，之后調制后的光波通過復雜的光纖鏈路進行傳輸，到達基站后，光電轉換將微波信號解調，再通過天線發射供用戶使用。RoF系統中運用光纖作為基站(BS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號。光纖僅起到傳輸的作用，交換、控制和信號的再生都集中在中心站，基站僅實現光電轉換，這樣，可以把復雜昂貴的設備集中到中心站點，讓多個遠端基站共享這些設備，減少基站的功耗和成本。

　　相對于傳統的通信系統而言，RoF系統具有覆蓋更廣、寬帶更寬、成本較低、功耗較低、易于安裝維護等優點，是下一代寬帶無線通信技術的研究熱點。而RoF通信系統在被具體應用時，副載波產生及接收技術是必不可少的，可以說是RoF系統的關鍵技術。而光生副載波技術雖然能夠產生高頻副載波，但是增加了RoF通信系統的復雜度，且容易引入相位噪聲和大量色散，進而干擾系統性能；同時，光生毫米波技術對光纖以及光脈沖參數的選擇有較大依賴性，不利于組網和擴展。

      RoF的通信方式雖然能夠傳輸高頻毫米波信號，但是犧牲了成本和擴展性，對比近5年中RoF系統與蜂窩通信系統的發展與應用，最初提出的光生毫米波方案反而成為RoF發展的阻礙。隨著近幾年無線通信的大量應用，以及新技術新硬件（如FPGA）的發展，使得副載波的產生方式多樣化，讓其不拘泥于光域，將RoF推入了一個新的發展階段。根據FPGA結構簡單、編寫靈活、成本低、易修改等特點，本文提出了通過FPGA生成電域副載波信號，從而避免光域生成副載波的缺點。所以將FPGA與RoF結合是未來無線通信的主要研究方向之一。

　　1 FPGA副載波調制波形的生成

      本文采用型號為EP4CE115F29C7的FPGA芯片在電子電路上進行副載波調制，經過數模轉換芯片AD7545轉換后將經過副載波調制的信號送入型號為LTE-GX-06A的光纖實驗箱進行傳輸實驗，而副載波的調制方式采用了AM調制，載波為正弦波，傳輸數據為低頻正弦波（傳輸數據可更改），副載波調制頻率為中頻。由于本實驗中無線信道不是主要研究對象，故將經過光纖傳輸后的信息直接接入觀察設備而不進行無線傳輸，最后在觀察設備中評估系統的性能。

　　在通過modelsim對相應的設計分別進行仿真后得到的AM調制波形見圖3。

　　如圖3所示，第二行為載波信號，頻率f=50 kHz；第三行為調制信號，頻率f=5 kHz；第一行為已調信號，生成的AM信號周期T=0.2 ms，頻率f=5 kHz。此調制波形即為RoF傳輸系統中采用的副載波。

　　2 副載波信號在光纖中傳輸的實現

      將副載波調制信號通過D/A轉換后，便可得到連續的正弦波。根據光載無線通信的原理內涵，需要將副載波信號通過光調制器接入光纖鏈路，選用第25號光收發模塊，其波長窗口分別為1310 nm和1550 nm，進行實驗。

　　由于在DE2-115開發板上實現的調制信號為數字信號，故本次實驗需要使用JP5端口將信號輸出至型號為AD7545的數模轉換芯片進行信號轉換，數模轉換芯片的輸出端分別連接示波器的探頭1以及光纖實驗箱光纖傳輸模塊的輸入端，再將光纖傳輸模塊的輸出端口接到示波器的探頭2上。對波形的測試顯示如圖5至圖8所示（各圖中第一行為未經光纖系統傳輸的副載波波形，第二行為經過光纖系統傳輸的副載波波形）。

　　（1）AM副載波信號經過2 m光纖的傳輸結果

      搭建好傳輸系統后就可以將前面使用FPGA生成的副載波信號進行傳輸了，考慮到傳輸信號的穩定性，首先進行2 m的光纖基礎性能傳輸。

　　通過分別改變載波信號頻率和調制信號頻率，生成了幾種不同頻率的AM副載波信號并在1550 nm和1310 nm光纖中傳輸，其在1550 nm光纖中的傳輸結果見圖5~圖8，其中調制信號為5 kHz。

　　從圖5至圖8中可以看出，在調制方式為AM調制的情況下，使用FPGA能夠產生副載波信號，并且能在光纖鏈路中進行傳輸，驗證了電域產生副載波的光載無線通信系統的可行性和有效性。

　　2) AM副載波信號經過1 km光纖的傳輸結果

      在RoF的實際應用中，光纖傳輸距離為2 m是遠遠不夠的，動輒幾十千米的光纖會造成更多問題。為了結合實際，本文使用一條長度為1 km的單模光纖進行傳輸，其中的副載波信號與光纖長度為2 m時的副載波信號相同。通過觀察示波器顯示窗口可以發現其傳輸結果與2 m光纖的傳輸結果基本相同。

　　3）傳輸后的光功率衰減

      在兩個波長窗口（1550 nm和1310 nm）下，副載波信號在2 m以及1 km光纖中傳輸后的接收光功率如表1所示。本文使用的實驗平臺的光功率基準功率（發射功率）為1 mW。

　　3 實驗結果分析

      從以上結果中可以看出，使用FPGA生成的副載波信號仍能在較長的光纖中進行傳輸，且傳輸效果良好，其中的傳輸特性有以下幾點：1)1 km傳輸中光傳輸功率衰減最小有2.32dBm，最大只有3.47dBm，與2 m的光纖傳輸結果相比衰減較小，符合較長距離光纖的傳輸標準。

　　2)波長窗口1550 nm下的傳輸性能比1310 nm的傳輸性能好，波形不易失真。且在1550 nm窗口下，對比2 m和1 km傳輸距離的光功率衰減，可以發現其數值均相差0.2dBm到0.3 dBm。

　　3)在光纖傳輸中，500 kHz的AM調制頻率下，1550 nm的傳輸窗口比1310 nm的傳輸性能較好，原因是光纖收發自身會有一定的損耗衰減，在1550 nm窗口應不大于0.22 dB，在1310 nm窗口應不大于0.36 dB，所以1310 nm的比1550 nm的損耗大。

　　綜合不同頻率，不同波長AM調制的傳輸結果，經過光纖傳輸后副載波調制波形與之前的波形已經非常近似，說明本實驗產生的副載波信號能夠被光纖所傳輸，既符合光載無線通信系統原理，又能使系統結構簡潔明了，驗證了基于FPGA的電域光載無線通信的可行性。

　　參考文獻

　　[1]瞿榮輝.支撐RoF技術的新型光電子器件及技術[J].中興通訊技術,2009,15(03):11-16.[2017-10-10];

　　[2]張宗森. 基于FPGA的光纖通道點對點傳輸系統設計與實現[D].電子科技大學,2017.

　　[3]景琴琴. Radio over Fiber系統中光載毫米波的產生和傳輸技術研究[D].湖南工業大學,2012.

　　[4]方祖捷,葉青,劉峰,瞿榮輝. 毫米波副載波光纖通信技術的研究進展[J]. 中國激光,2006,(04):481-488.[2017-10-10]

　　[5]王端驤. 副載波光纖通信[J]. 光通信技術,1991,(Z1):8-18. [2017-10-10]. DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.1991.z1.005

　　[6]宋燕輝,蘇鋼.適用于RoF系統的高速串行接口的FPGA設計[J].光通信技術, 2012, 36(7):50-53.

　　[7]Ajung Kim, Young Hun Joo and Yungsoo Kim, 60 GHz wireless communication systems withradio-over-fiber links for indoor wireless LANs. in IEEE Transactions on Consumer Electronics,vol. 50, no. 2, pp. 517-520, May 2004.

　　[8]沙啟迪. 基于FPGA的光纖通信數據傳輸技術研究[D].哈爾濱工業大學,2015.

　　[9許義寶,胡永兵,陳慶然.基于FPGA的多節點光纖傳輸系統設計與實現[J/OL].計算機技術與發展,2018(03):1-4[2017-12-27].

　　[10]Zhu L, Shan J F, Tang J, et al. A New Isolating and TransmittingSystem Based on FPGA[J]. Journal of Fusion Energy, 2015, 34(2):191-195.

     本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第6期第49頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處